單分子層水分蒸發(fā)抑制劑在水工混凝土澆筑中的應用研究

熊 明

(江西省源河工程有限責任公司，江西 南昌 330000)

水工混凝土在澆筑過程中，其表面在高溫、大風作用下水分易于蒸發(fā)，從而產生負壓引起塑性開裂[1]。工程實踐中一般通過擇時澆筑、環(huán)境監(jiān)測、噴霧養(yǎng)護等工程措施[2- 3]，來預防這一問題。水工混凝土在澆筑體積大、工期緊的限制因素下，上述方法實施難度較大[4]。

因此有許多學者對于如何在保證混凝土性能前提下、預防水分蒸發(fā)引起的裂縫進行了大量的研究。如趙明華[5]就通過分析大體積混凝土裂縫形成影響因素，指出塑性裂縫形成原理在于塑性狀態(tài)下的新拌混凝土的強度不足以抵抗表面水分蒸發(fā)引起收縮張力。謝遷等[6]從混凝土養(yǎng)護劑角度探討了不同種類養(yǎng)護劑的作用機理及效果，認為其能顯著改善混凝土的綜合性能，且省工省時、節(jié)能節(jié)水。呂喜風等[7]對比不同濃度水分蒸發(fā)抑制劑的保水能力及其隨時間的變化規(guī)律，研究表明水分蒸發(fā)抑制劑能明顯抑制混凝土的早期塑性開裂，抑制率隨時間逐漸降低。

通過前人的研究可以發(fā)現(xiàn)，在混凝土中添加水分蒸發(fā)抑制劑后，不僅能改善混凝土的性能，還能為實際工程提供很好的理論指導[8- 9]。本文的主要研究對象為典型4級配水工混凝土，開展壩址區(qū)高溫、大風環(huán)境單分子層水分蒸發(fā)抑制劑的抑制效果試驗，對不同層間澆筑間隔時間的物理力學性能進行分析，主要指標包括水分蒸發(fā)抑制率、抗壓強度、抗拉強度。

1 工程背景與試驗設計

1.1 工程背景

本次研究依托于江西地區(qū)某水利工程項目，大壩主體結構為混凝土重力壩，采用典型的少膠凝材料、低水灰比、小坍落度4級配水工混凝土澆筑。壩址區(qū)氣候干燥，現(xiàn)場混凝土澆筑溫度在 30℃以上、風速3～6m/s，因水分蒸發(fā)快而對新澆混凝土的養(yǎng)護要求較高。施工過程中采用了棉被覆蓋保溫、噴霧加濕等措施進行養(yǎng)護，但仍出現(xiàn)了混凝土開裂問題，初步分析成因為高溫大風環(huán)境混凝土表面水分蒸發(fā)過快。急需尋求新的方法抑制水工混凝土的水分蒸發(fā)，增強其水分保持，這對提升工程的穩(wěn)定性與安全性具有重要價值[10- 12]。

1.2 試驗基本參數(shù)設計

在此工程背景之下，為了探究噴灑單分子層水分蒸發(fā)抑制劑應用于水工混凝土中減少水分蒸發(fā)的可行性，設計了噴灑水分蒸發(fā)抑制劑與未噴灑2組對比試驗?；谒せ炷练謱訚仓氖┕ぬ攸c，每組設置0、3、6h的澆筑層間時間間隔。

試驗所用原材料與該大壩保持一致，配合比為水泥∶水∶砂∶骨料=1∶0.8∶4.5∶17.5，工程實際骨料配置比例為特大石∶大石∶中石∶小石=1∶1∶1.5∶1.5，結合試驗試件尺寸的客觀因素，骨料同意采用5～20mm小石。其中水泥為P·MH42.5中熱硅酸鹽大壩水泥，砂采用表觀密度2700 kg/m3、細度模數(shù)2.82的人工砂，骨料表觀密度按2780kg/m3左右控制。此外，將35%的水泥采用F類I級粉煤灰替換，按0.996kg/m3外加高性能減水劑，按4%～5%含氣量控制引氣劑摻量。

1.3 試驗步驟設計

(1)模擬高溫大風的實驗室準備。通過鎢燈控制實驗室內溫度在38℃左右，強力吹風機模擬風速為10m/s左右大風環(huán)境。搭建的試驗室如圖1所示。

圖1 高溫大風模擬試驗室

(2)配制單分子層水分蒸發(fā)抑制劑試液。在1份抑制劑中添加4份水，攪拌均勻后置于手持噴壺中備用。

(3)制備混凝土試件。按1.2節(jié)所述的基本參數(shù)配制攪拌好混凝土后，在標準150mm立方體試件模具中澆筑試件；分層高度按75mm控制，澆筑第一層混凝土后，以 250g/m2均勻噴灑抑制劑稀釋液，在設計時間間隔后澆筑第二層混凝土。

(4)測試混凝土試件的力學性能。定時觀察試件表面形貌，檢測水分蒸發(fā)量，測試試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度。

2 試驗成果分析

2.1 混凝土表觀形貌

混凝土試件澆筑完成后，定時觀察其表觀形貌并做記錄，如圖2所示。圖2(a)是未噴灑單分子層水分蒸發(fā)抑制劑的試件表觀形貌，圖2(b)是噴灑的試件表面?？梢灾庇^看到，未噴灑單分子層水分蒸發(fā)抑制劑試件表面出現(xiàn)明顯裂縫，而噴灑抑制劑的試件表面光滑平整。說明單分子層水分蒸發(fā)抑制劑可以有效改善混凝土表面起裂現(xiàn)象。

圖2 混凝土試件表觀形貌

2.2 水分蒸發(fā)抑制率

本次試驗測試了噴灑單分子層水分蒸發(fā)的抑制劑對水分蒸發(fā)的影響，結果顯示澆筑2h后水分蒸發(fā)抑制率為51.1%，4h后為33.6%，見表1。說明高溫大風環(huán)境下，噴灑單分子層水分蒸發(fā)抑制劑能明顯減少水分蒸發(fā)，且隨著澆筑時間的延長，抑制效果逐漸降低。這一變化規(guī)律與混凝土強度隨時間逐漸增長相適應[13- 15]。

表1 混凝土水分蒸發(fā)抑制率

2.3 混凝土抗壓強度

對不同分層間隔時間的混凝土試件，開展了在28和180d齡期下的抗壓強度測試，試驗結果如圖3所示。分析得出：①噴灑單分子層水分蒸發(fā)抑制劑對混凝土抗壓強度沒有明顯的消極影響，除了分層間隔0h下28d齡期的試件抗壓強度下降了1.54%外，其余試件的抗壓強度有增強作用，且間隔時間越長強度增加越多；原因為水分蒸發(fā)抑制劑減少了混凝土表面的水分蒸發(fā)，進而使各分層間的結合條件更好。②抗壓強度隨著分層時間間隔的增加而降低，如噴灑抑制劑條件下的28d齡期試件在0、3、6h間隔下的強度分別為25.6 、24.9 、19.4 MPa，這是由于分層間隔澆筑層間接觸面在水分蒸發(fā)后形成薄弱結構造成的。

圖3 不同分層間隔時間和養(yǎng)護齡期條件下混凝土試件單軸抗壓強度

2.4 混凝土抗拉強度

根據(jù)水工混凝土澆筑中層間接觸面的受力特點，試件抗拉強度試驗加載方向按平行于接觸面進行，測得混凝土試件抗拉強度見表2?？梢钥闯?，噴灑單分子層水分蒸發(fā)抑制劑對混凝土抗拉強度的影響與抗壓強度類似：①混凝土抗拉強度未受到抑制劑明顯的消極影響，僅有分層間隔0h下28d和180d齡期的試件抗拉強度分別下降了2.19%與5.21%，其余噴灑單分子層水分蒸發(fā)抑制劑試件的抗拉強度均有一定增強，強度增加幅度隨著間隔時間加長而增加；這是由于抑制劑通過減少混凝土表面的水分蒸發(fā)，改善了分層間的結合條件。②是否噴灑水分蒸發(fā)抑制劑條件一致情形下，分層時間間隔越長，抗拉強度越低，如噴灑抑制劑條件下的180d齡期試件在0、3、6h間隔下的強度分別為3.09 、2.98 、2.63 MPa，原因在于層間接觸面的水分蒸發(fā)隨著時間間隔的增加而增加，導致層間結合越軟弱。

表2 試件在不同分層間隔下的抗拉強度

3 結論

本文通過室內試驗對單分子層水分蒸發(fā)抑制劑在水工混凝土中的應用進行研究，得到如下結論：①單分子層水分蒸發(fā)抑制劑可以有效改善混凝土表面起裂現(xiàn)象；②噴灑抑制劑能明顯減少水分蒸發(fā)，且隨著澆筑時間的延長，抑制效果逐漸降低；③抑制劑對混凝土抗壓強度、抗拉強度均沒有明顯的消極影響，強度下降不超過5.21%，部分試件強度有一定增加。但水工混凝土具有大體積特征，本文試驗未考慮試件的尺寸效應，有待進一步研究?？偟膩碚f，單分子層水分蒸發(fā)抑制劑能有效預防水工混凝土開裂，且不顯著降低其力學性能。